Обзор оптической связи в свободном пространстве: взгляд с позиции теории связи

Оптическая беспроводная связь (OWC) — это передача данных по ненаправляемым средам распространения с использованием оптических несущих, а именно в видимом, инфракрасном (IR) и ультрафиолетовом (UV) диапазонах. В данном обзоре рассматриваются наземные оптические беспроводные линии связи в открытом пространстве, работающие в ближнем инфракрасном диапазоне, которые в научной литературе широко называют оптической связью в свободном пространстве (FSO). Системы FSO используются для высокоскоростной связи между двумя фиксированными точками на расстояниях до нескольких километров. По сравнению с радиочастотными (RF) аналогами линии FSO располагают очень широкой доступной оптической полосой пропускания, что позволяет обеспечивать значительно более высокие скорости передачи данных. Они привлекательны для широкого спектра применений, включая расширение городской вычислительной сети (MAN), соединение локальных вычислительных сетей (LAN—LAN), резервирование волоконно-оптических линий, организацию магистральных соединений для беспроводных сотовых сетей, восстановление связи после стихийных бедствий, передачу телевидения высокой четкости и медицинских изображений/видео, беспроводное видеонаблюдение и мониторинг, а также распределение квантовых ключей. Несмотря на существенные преимущества технологии FSO и разнообразие областей ее применения, ее широкое внедрение сдерживается относительно низкой надежностью линий связи, особенно на больших расстояниях, вследствие замираний, вызванных атмосферной турбулентностью, и чувствительности к погодным условиям. В последние примерно пять лет интерес к исследованиям FSO резко возрос в связи с необходимостью решения этих основных технических проблем. Несколько инновационных концепций физического уровня, первоначально предложенных для радиочастотных систем, включая связь с многими входами и многими выходами, кооперативное разнесение и адаптивную передачу, недавно исследовались применительно к проектированию систем FSO следующего поколения. В статье представлен современный обзор систем связи FSO. В первой части описываются модели каналов FSO и структуры передатчиков/приемников. Во второй части подробно рассматриваются информационно-теоретические пределы каналов FSO и исследования системного проектирования на алгоритмическом уровне, направленные на приближение к этим пределам. Speci...